Hidrología, inundación, fenómenos hidrometeorológicos extremos, modelo de simulación hidráulica, modelo Hec-Ras, pronóstico hidrológico, río Bogotá.

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1 APLICACIÓN DEL MODELO DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA HEC-RAS PARA LA EMISIÓN DE PRONÓSTICOS HIDROLÓGICOS DE INUNDACIONES EN TIEMPO REAL, EN LA CUENCA MEDIA DEL RÍO BOGOTÁ - SECTOR ALICACHIN Ernesto Torres Quintero 1 Eulises González Naranjo 2 RESUMEN La investigación realizada demuestra la importancia de aplicar el modelo de simulación hidráulica Hec-Ras para la emisión de pronósticos hidrológicos de inundaciones en tiempo real, en el río Bogotá (Cuenca media y alta) permitiendo determinar cada una de las etapas que ha originado la presencia de una onda de caudal en un canal natural, así como la respuesta del cauce del río ante tan magnitud de volumen de agua en la parte media sector Alicachin. El modelo se basa en ecuaciones diferenciales determinísticas, que al ser solucionadas en la estructura del modelo de simulación hidráulica Hec-Ras, permiten pronosticar la dinámica de los niveles de agua en los eventos hidrometeorológicos extremos de inundación, definiendo las cotas de inundación a través de perfiles transversales, simulando de manera aproximada el comportamiento de la dinámica del recurso hídrico y del cauce con características de: Secciones mojadas variables con cualquier geometría a lo largo del cauce, diferentes tipos de rugosidad para ciertas partes del perfil mojado, distintas profundidades del agua y con caudal variable a lo largo del cauce en condiciones de régimen de flujo sub-critico o súper-crítico con efectos hidráulicos debido a obstáculos transversales naturales o artificiales en el cauce. PALABRAS CLAVES Hidrología, inundación, fenómenos hidrometeorológicos extremos, modelo de simulación hidráulica, modelo Hec-Ras, pronóstico hidrológico, río Bogotá. 1 Docente Investigador Coordinador Grupo TECNOAMBIENTAL Universidad Libre. 2 Ingeniero Ambiental auxiliar de Investigación Grupo TECNOAMBIENTAL.

2 ABSTRACT The research is aimed at showing how important is to apply the Hi-Res hydraulic simulation model for the emission of hydrological forecasting of floods in real time in the middle and upper basin of the Bogota river, so allowing to set everyone of the stages brought about originated by a ware flow in a natural cannel, as well as the answer of the dranaige system of the river to such water volumen in the middle part of the river Alicachin sector. The model is based on deterministic equations which, when solved in the structure of model, allow to forecast the dynamics of the water surface elevations in flood extreme hydro meteorological events, so defining the floodway elevations by means of cross profiles, and stimulations aproximally the behavior of the dynamics of the water resourse and of the dranaige system with the following characteristics: unsteady flow flood sections at any geometric dranaige system, different kind of roughness for specific parts of the flood profile, different depht water surfaces with unsteady flow along the dranaige system under conditions of sub or supercritical flow regime with hydraulic effects due to natural or artificial cross obstacles on the dranaige system. KEYWORDS Hydrology, flood, Hydrometeorological phenomenom extremes, hydraulic simulation model, Hec-Ras model, hydrological forecasting, Bogota river.

3 INTRODUCCIÓN El recurso hídrico es el principal constituyente de todos los seres vivos y su dinámica se convierte en una fuerza importante que nos ofrece constantemente grandes beneficios, aunque existen épocas y sitios en los cuales se pueden generar impactos adversos como son las inundaciones que traen como consecuencias pérdidas económicas, ambientales y sociales en las poblaciones ubicadas próximas a los ríos. Respecto al modelo utilizado en la investigación éste corresponde al modelo matemático unidimensional Hec-Ras , software gratuito de origen Estadounidense desarrollado por parte del Cuerpo de Ingenieros de la Armada (US Army Corps of Engineering), donde posee varios programas de computación para la administración de recursos de agua; y en razón al área de estudio de aplicación del modelo, ésta comprende la cuenca hidrográfica del Río Bogotá parte media y alta entre el tramo Sector Alicachin (Municipio de Sibate y Soacha), hasta Villapinzón (Municipio de Villapinzón), respectivamente, la cual está ubicada en el centro del país y del Departamento de Cundinamarca, sobre la cordillera Oriental. Finalmente, el esquema de la modelación del comportamiento de los Perfiles Hidráulicos, así como la obtención de Parámetros Hidráulicos esta dado a la importancia de dicho sitio y dado también, a la posible ocurrencia de eventos hidrometeorológicos que pueden impactar catastróficamente la región, que a su vez, se relaciona con la necesidad de contar con pronósticos de inundaciones en tiempo real de la dinámica de los niveles de agua del río Bogotá, centrando la necesidad en la predicción del riesgo, asociada a la amenaza hidrológica (nivel del agua). 1. METODOLOGÍA La aplicación del modelo Hec-Ras, para efectos de la investigación constituye tres pasos fundamentales:

4 1 Paso: Crear por medio de herramientas de SIG como ArcGIS - ArcView y la extensión HEC- GeoRAS, los modelos digitales de elevación DEM con un archivo de importación para HEC- RAS, que contenga información geométrica de las secciones transversales, del cauce y las llanuras de inundación del sistema hídrico del río Bogotá, 2 Paso: Aplicar la modelización del flujo permanente con el modelo HEC-RAS 4.1.0, el cual genera un archivo de exportación para ArcGIS - ArcView y un; 3 Paso: Generar los resultados de la mancha de agua: superficies de inundación y grids de profundidad. Esquema conceptual de la modelización propuesta utilizando el modelo Hec-Ras Gráfico 1. Hec-Ras Entorno ArcGIS Entorno ArcGIS HEC-RAS Entorno ArcGIS MAPAS DE INUNDACIÓN Fuente: Autores

5 2. RESULTADOS DE LA MODELACIÓN HIDRÁULICA La modelización con el modelo HEC-RAS permitió calcular para las diferentes configuraciones de caudales para las secciones transversales a lo largo de los dos tramos estudiados del cauce del río Bogotá valores simulados de los niveles de agua, las profundidades de flujo y las velocidades, entre otros variables. La simulación se realizó considerando el tramoalto desde la estación hidrológica de Villapinzón (Cód.: ) hasta la estación hidrológica Pte. Vargas (Cód.: ); el tramobajo comprende desde la estación Pte. Vargas hasta la Estación de Las Huertas (Cód.: ). Se dividió todo el tramo en estos dos tramos con el objeto de una mejor manipulación y facilidad en la computación a través de la ejecución del modelo. Por las características de la cuenca hidrográfica del río Bogotá en cuanto a la geología y geomorfología y la cobertura vegetal se seleccionaron coeficientes de rugosidad de Manning [4] que varían entre bajo las condiciones particulares del sistema de drenaje, así mismo, las pendientes consideradas en el estudio para el tramo del río Bogotá (Villapinzón Sector Alicachin), teniendo en cuenta que, este es un río que se caracteriza por ser poco intervenido, son pendientes bajas que varían entre 10-5 y 10-4 m/m. 2.1 Resultado de Curvas Generales del Sistema Hídrico

6 Gráfico 2. Cross Sections Sección transversal típica. riobogotabajo Plan: plan01 14/10/ Legend EG PF WS PF 5 Ground Bank Sta 2550 Elevation (m) Fuente: Autores. Hec-Ras Station (m) Gráfico 3. Water Surface Profiles Perfil de la línea de Nivel o superficie de Agua. riobogotabajo Plan: plan01 14/10/ bogota bajo Legend EG PF 5 WS PF 5 Crit PF 5 Ground 2542 Elevation (m) Main Channel Distance (m) Fuente: Autores. Hec-Ras

7 3. DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE DE INUNDACIÓN A través de la aplicación de la herramienta computacional Hec-GeoRAS extensión del Hec-Ras, se importan los datos resultados de la modelización hidráulica con el modelo HEC-RAS [6] Este proceso crea las zonas de inundación para cada perfil, es decir, para los caudales de cada periodo de retorno que representan cada mes. Esta herramienta Hec-GeoRas genera los resultados finales en donde se visualiza la mancha de agua, las superficies de inundación para cada periodo de retorno establecido [7], los niveles de agua, grids de profundidad, etc., y se pueden representar en el DEM siendo posible determinar los límites de las áreas de inundación, calcular las áreas de inundaciones y de esta manera determinar el cauce natural. De acuerdo a cada periodo de retorno y considerando el mes más crítico el perteneciente al mes de mayo, en cuanto a mayores variaciones de niveles se puede observar varias manchas de agua en el DEM. Representación de la superficie de inundación Sector Alicachin.

8 Gráfico 4. Arc GIS 9.3 Hec-GeoRAS Fuente: Autores. En concordancia con los mapas de inundaciones generados por medio de la herramienta ArcGIS y la extensión Hec-GeoRAS con los modelos digitales de elevación (DEM) correspondientes a los tramobajo y tramoalto se establece la relación de los efectos que producen los diferentes caudales máximos mensuales para las probabilidades de ocurrencia de eventos de inundaciones en periodos de retorno de 5, 10, 15 y 20 años. La tendencia creciente de los caudales máximos mensuales a medida que aumenta los años en los periodos de retorno; arroja al tiempo que sucede esto en los mapas de inundación, desbordamientos y manchas de agua como consecuencia del aumento progresivo de caudales. Teniendo en cuenta que el río Bogotá en su mayor parte presenta diques longitudinales de gran altura que impiden los desbordamientos. Respecto al tramobajo se visualizan dos sectores con algunas manchas de agua, el primero a partir aproximadamente de la sección transversal identificada con el número cerca a la estación hidrológica Pte. Vargas hacia aguas abajo hasta la sección , de igual forma, el siguiente sector aguas abajo de ese tramo se evidencia manchas comprendidas entre las secciones

9 identificadas con el número de la parte media del tramo y hacia aguas abajo hasta el sector Alicachin en la sección número A pesar de que la mancha de agua invade las llanuras de inundación caracterizadas por explanaciones de las márgenes, hace que posiblemente se genere una inundación en ese sector. No afecta a importantes estructuras de edificación. Igualmente, ocurre en el tramoalto el cual muestra manchas de agua en un orden mucho menor que el tramobajo en donde el río presenta desbordamientos, teniendo en cuenta que, a diferencia del tramobajo el tramoalto se caracteriza por tener elevaciones propias del sistema orográfico en forma de cañón que incide de manera directa en el comportamiento del río posibilitando una menor cantidad de desbordamientos; el sector representativo del tramo que presenta algunas de las manchas está entre las secciones identificadas con el número aproximadamente desde la estación hidrológica de Pte. Florencia hacia aguas abajo hasta la sección identificada con el número cercana a la estación Pte. Vargas, de la misma forma, no afecta a importantes estructuras de edificación próximas a las llanuras de inundación. 3.1 Ecuación Diferencial Determinística (EDD). De acuerdo a las características hidrológicas de la cuenca de estudio, se utilizan instrumentos matemáticos para simular el proceso natural de comportamiento de niveles; estos instrumentos corresponden a ecuaciones diferenciales determinísticas que admiten desarrollar el modelo de pronóstico hidrológico de los niveles diarios del agua. El modelo matemático determinístico se presenta a través de la Ecuación Diferencial Determinística lineal y ordinaria de la siguiente forma: El modelo que simula la dinámica de los niveles del agua adquiere la siguiente expresión:

10 En donde, los parámetros representan a las propiedades internas del sistema y a la propiedad de inercia del sistema ante los factores externos, respectivamente. En este caso, una de estas propiedades se refleja mediante un valor constante, que varía entre valor que se obtiene luego del proceso de calibración. Para aplicar el modelo determinístico que simula la dinámica de los niveles del agua en el sector de la Estación Las Huertas se procede a solucionar numérica y analíticamente la ecuación diferencial determinística (EDD), de ahí que, cada solución permita obtener como resultado de su aplicación un valor pronosticado concreto del nivel del agua en el sitio señalado. Solución Numérica Solución Analítica 3.2 Calibración del Modelo Determinístico Este proceso permite analizar detalladamente el comportamiento del modelo frente a una variación en sus parámetros. El parámetro de calibración es el valor de gamma ( ). La calibración de los parámetros del modelo se realiza utilizando datos históricos de la Estación Las Huertas, datos correspondientes a niveles diarios del periodo histórico desde el año 1991 al Con los modelos se simula el comportamiento de los niveles diarios y se varía el parámetro de calibración de de la ecuación diferencial que mejor se ajusta a los registros de la serie histórica entre valores pertenecientes al rango de 1 al -1, hasta obtener una buena concordancia entre los valores observados y los valores resultados de la simulación hidrológica, para finalmente, seleccionar por recomendaciones de expertos de la Corporación Autónoma Regional de

11 Cundinamarca (CAR) el parámetro que menor porcentaje de error produjo, a partir de la aplicación de la ecuación: Tabla 1. Calibración del Modelo Determinístico. FECHA Hi (m) PRONÓSTICO APROX. ANALÍTICA ERROR PRONÓSTICO APROX. ANALÍTICA PRONÓSTICO APROX. NUMÉRICA ERROR PRONÓSTICO APROX. NUMÉRICA h (%)h H(i+1) (%)H(i+1) 1/1/1991, /1/1991, /1/1991, /1/1991, /1/1991, /1/1991, /1/1991, Fuente: Autores

12 Luego de realizar cálculos con cada valor del rango entre 1 y -1 los resultados del proceso de calibración del modelo determinístico mostraron diferentes porcentajes de error, siendo el valor correspondiente al parámetro el que mejores resultados aporto, con menores porcentajes de error del 16.8% y 18.4% para la aproximación analítica y numérica respectivamente. 3.3 Evaluación del acierto de los pronósticos hidrológicos La metodología elegida para evaluar el acierto de los pronósticos con resultados cuantitativos pertenece a la evaluación porcentual del acierto de los pronósticos de los niveles del agua. La metodología consiste en establecer de manera preliminar algunos intervalos de aceptabilidad de aciertos que debe cumplir la metodología de pronósticos. Se considera que un pronóstico es acertado si se ubica en la categoría de muy buenos y buenos; es decir, es acertado el pronóstico siempre y cuando el margen de error no supere el 10%. Esta metodología presenta la siguiente aproximación matemática [3]: La aceptabilidad de los aciertos cumplida por la metodología, determino el acierto de los pronósticos cuantitativos de los niveles de agua para la Estación Hidrológica Las Huertas; para lo cual el porcentaje de aceptabilidad para los modelos de Pronóstico de Aproximación Analítica y Pronóstico de Aproximación Numérica en su gran mayoría se consideran pronósticos acertados de los 2556 pronósticos emitidos desde el 1 de Enero del año 2003 al 31 de Diciembre del año 2009, ya que se encuentran ubicados dentro del rango de Muy Buenos y Buenos igualando un porcentaje del 53.6%, en donde no superan el margen de error del 10%[5]. En tal sentido, los valores de niveles diarios pronosticados ofrecieron una aceptabilidad de aciertos considerable, ya que en su gran mayoría se encuentran ubicados dentro del rango de Muy Buenos a Satisfactorios con un porcentaje de aceptabilidad del 77.3% en el modelo de Pronóstico de Aproximación Analítica el cual posee mayor grado de confiabilidad para la emisión del pronóstico hidrológico demostrando cierto ajuste del modelo a las condiciones del

13 área de estudio a diferencia del modelo de Pronóstico de Aproximación Numérica que muestra un porcentaje de aceptabilidad del 74.8%, teniendo en cuenta que, se consideran pronósticos acertados ya que igualan más del 50% de aciertos dentro de la categoría de Muy Buenos y Buenos. Gráfico 5. Pronóstico de Aproximación Numérica. Fuente: Autores.

14 CONCLUSIONES Las siguientes conclusiones se desprenden de la aplicación del modelo de simulación hidráulica Hec-Ras 4.1.0, los resultados arrojados, la modelación hidrológica para pronósticos hidrológicos de inundaciones y de la experiencia adquirida en la investigación. El modelo HEC-RAS posee todas las capacidades necesarias para realizar una simulación en las condiciones previstas en el estudio, tiene una de las mejores funciones de pre y post procesamiento. Los datos presentan la disposición de editar, modificar y visualizarse en pantalla. De igual forma, tiene la capacidad para interactuar con modelos digitales de terreno (DEM) mediante entorno de sistemas de información geográfica - GIS (ArcInfo, ArcView o ArcGIS) aumentando la eficacia del análisis relativo a parámetros topográficos, asimismo, la aplicación de la extensión HEC-GeoRAS que trabaja en ese mismo entorno, proporciona resultados de alta calidad en cuanto a mapas de inundaciones con gran facilidad.

15 La modelización del sistema hidrológico del río Bogotá con el modelo hidráulico unidimensional Hec-Ras, presento suficiente aptitud para simular satisfactoriamente el comportamiento hidrológico del río Bogotá mostrando resultados con gran aceptabilidad en condiciones de flujo permanente y de acuerdo, a la información hidráulica y geométrica ingresada en el modelo, igualmente, permitió describir cualitativa y cuantitativamente la respuesta del sistema hídrico ante un evento extremo de inundación, evaluando las áreas en determinadas secciones transversales de los dos tramos de estudio tramobajo y tramoalto que son más susceptibles a ser afectados por desbordamientos e inundaciones, por medio de la configuración de los perfiles hidráulicos reproduciendo para los diferentes periodos de retorno la magnitud de los niveles. La modelación hidrológica para pronóstico hidrológico de inundaciones se diseño especialmente como orientación para la toma de decisiones en cuanto a medidas preventivas de la presencia de un evento extraordinario, que indique la probabilidad de amenaza inminente con efectos adversos para el normal desarrollo de las actividades de la población asentada en las áreas aledañas a las llanuras de inundación del sector Alicachin en la cuenca media del río Bogotá. La aplicación de la ecuación diferencial determinística (EDD) en sus dos soluciones dio a conocer resultados aceptables en razón a la emisión de pronósticos hidrológicos de inundaciones en la cuenca media del río Bogotá (Sector Alicachin), herramienta que sirve de soporte en la toma de decisiones para la prevención de eventos de inundación en esa área de estudio. Uno de los aspectos más importantes de la elaboración del modelo determinista para la emisión de pronósticos hidrológicos de inundación, radica en la aceptabilidad de los aciertos desarrollada por la metodología de evaluación porcentual que, por su parte, arrojo resultados para los niveles pronosticados de la aproximación analítica y numérica alrededor de los criterios de Muy Buenos y Buenos referente al 53.6% de pronósticos emitidos por debajo del margen de error del 10%. De la misma manera, el porcentaje de aciertos en el rango de Muy Buenos a Satisfactorios presento un 77.3% en el modelo de Pronóstico de Aproximación

16 Analítica, a diferencia, del modelo de Pronóstico de Aproximación Numérica que presento el 74.8%, dando a entender, el grado de aceptabilidad próximo al 80% para el cual un pronóstico hidrológico se considera acertado dentro del rango de evaluación. La modelización del sector Alicachin a través de la aplicación del modelo de simulación hidráulica Hec-Ras, suministró resultados del comportamiento hidrológico de niveles bastante aproximados a la realidad de las condiciones naturales del sistema hidrológico en el sector, teniendo en cuenta, la coherencia con la información hidráulica y geométrica proporcionada para su adecuada ejecución, la corrida del modelo dio a conocer la dinámica del sistema de drenaje ante la probabilidad de ocurrencia de eventos de inundación representados por la variación de niveles diarios máximos. En este aspecto, no se presento desbordamientos en ninguna sección transversal, coincidiendo normalmente con el comportamiento natural del río ya que en su gran mayoría tiene diques longitudinales con alturas importantes que, en efecto, el río Bogotá no supera fácilmente las cotas de inundación. En términos generales para el río Bogotá y en especial el sector Alicachin se observa que el promedio de los niveles máximos permanecen en su gran mayoría dentro del cauce principal del río Bogotá, al igual que en la cuenca media y alta, debido al, sistema de regulación de niveles a través de la operación diaria de los Embalses de Sisga, Neusa y Tominé por parte de entidades como la CAR, la E.A.A.B y la Empresa de Generación Eléctrica (EMGESA); ya que a su vez, este sistema cumple la función de abastecimiento y control de inundaciones, por la buena capacidad para amortiguar crecientes.

17 BIBLIOGRAFÍA [1] Corporación Autónoma Regional CAR Anuario Hidrológico. Bogotá [2] Molero, Emilio. Nania, Leonardo S. Manual Básico de HEC-RAS y HEC-GeoRAS Área de Ingeniería Hidráulica Área de Urbanismo y Ordenación del Territorio. Universidad de Granada. Curso de Especialización Modelación de Ríos con HEC-RAS y SIG: Régimen Permanente 1-D. Granada, 14 al 16 de Febrero de [3] Rivera, Gonzalo Hebert. Curso Pronósticos Hidrológicos. Universidad Libre. Bogotá: Junio 14 y 15 del [4] Velandia Durán, Edder Alexander. Efecto de la Rugosidad de Gauckler-Manning en el tránsito de caudales en canales de baja pendiente. Revista Épsilon, Enero-Junio, numero 010. Universidad de La Salle. Bogotá, Colombia p. [5] Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales. Protocolo para la Emisión de los Pronósticos Hidrológicos en Colombia, Bogotá: IDEAM [6] US Army Corps of Engineers. Hydrologic Engineering Center. HEC-RAS, River Analysis System. User s Manual, Version 4.0, March [7] US Army Corps of Engineers. Hydrologic Engineering Center. HEC-RAS, River Analysis System. Hydraulic Reference Manual, Versión 4.0, March 2008.